[發明專利]計及天然氣管網和熱力管網特性的綜合能源系統優化方法

有效

• 申請號: 201910491982.1
• 申請日: 2019-06-06
• 公開（公告）號: CN110348602B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 孫可;鄭偉民;李志強;張利軍;徐晨博;孫軼愷;王蕾;鄒波;袁翔;王一錚;薛友;文福拴
• 申請（專利權）人: 國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院;浙江大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/06
• 代理公司: 浙江翔隆專利事務所(普通合伙) 33206
• 代理人: 張建青

1.計及天然氣管網和熱力管網特性的綜合能源系統優化方法，其特征在于，包括步驟：

1)構建含多能流耦合設備和儲能設備的能源中心設備模型；

2)構建含電力網絡、天然氣管網和熱力管網的能源網絡模型；

3)以綜合能源系統運行周期內總成本最小為優化目標，考慮綜合能源系統建設約束和運行約束，建立計及天然氣管網和熱力管網特性的綜合能源系統優化模型；

步驟1)中，所述能源中心設備模型抽象為一個輸入-輸出雙端口網絡模型，多種能流分別從兩個端口輸入與輸出，多能流耦合設備和儲能設備的輸入和輸出端按照能源形式，分別匯集到同一端點；

步驟1)中，所述的多能流耦合設備包括電熱鍋爐、燃氣鍋爐、燃氣輪機和熱電聯產機組，其能源轉移效率統一表示為：

式中：P^κ,xi為多能流耦合設備x的輸入功率，其中κ表示電能e、天然氣能g和熱能h，n表示輸入能量種類的數目；為多能流耦合設備x輸出的電、氣、熱功率；η_(n×1)為能源轉換效率矩陣；

所述儲能設備包括儲電、儲氣和儲熱設備，儲能設備的運行約束統一表示為：

式中：下標t表示t時刻，為儲能設備x的儲能量；P_t^κ,xi和P_t^κ,xo分別為儲能設備x的充、放能速率；η^κ,xi和η^κ,xo分別為儲能設備x的充、放能效率；Δt為單位時間段的時長；和分別為儲能設備x存儲能量的上、下限；

所述能源中心設備模型兩個端口的輸入與輸出功率需滿足：

式中：下標k表示第k個能源中心；表示能源中心中所有設備的集合；和分別能源中心兩個端口的輸入與輸出功率；和分別為設備x的輸入和輸出功率；為負荷功率；

步驟2)中，采用直流潮流模型描述電力網絡：

式中：為電力線路ij傳輸的有功功率；x_L、θ_i,t和θ_j,t分別為電力線路ij的電抗值和首末端電壓相角；

電力網絡節點能量平衡約束表示為：

式中：為電力線路jk傳輸的有功功率；為電網中與k節點相連的節點集合；為外部輸電網的注入功率；為注入能源中心的電功率；

步驟2)中，所述的天然氣管網中，天然氣管道約束有：

根據氣體狀態方程與波義耳定律，管存相關的計算式如下：

且其滿足質量守恒定律，如下式所示：

其中，

式中：V_ij,t為天然氣管道ij內的管存量；p_i,t和p_j,t分別為管道ij首末端的氣壓；和分別為管道ij的出、入口流量；和分別為管道ij內徑和長度；R^gas為通用氣體常數；為管道ij的管存系數；M_gas為天然氣分子量；T^g、ψ和ρ^g分別為天然氣溫度、壓縮因子和相對空氣的密度；Δt為單位時間段的時長；

此外，天然氣管道傳輸的氣流量與首末端氣壓有關，實際運行中大多數輸氣管道以高雷諾數的流速運行即處于湍流狀態，滿足管道氣流方程，如下式所示，參數均折算到標準狀況下：

p_i,min≤p_i,t≤p_i,max，

其中

式中：Q_ij,t為天然氣管道ij內流經的平均氣流量；為天然氣管道ij的流量系數；ε為管道ij的絕對粗糙度；p_i,max和p_i,min分別為節點i的氣壓上、下限；

所述的天然氣管網中，加壓站約束表示為：

p_i,t≤ξ_comp_j,t，

天然氣網絡節點能量平衡約束表示為：

式中：為天然氣管網中與節點k相連的節點集合；和分別為管道jk出口和入口端的氣功率；為外部氣源注入綜合能源系統的氣功率；為注入能源中心的氣功率；為天然氣熱值；和分別為管道ik的出、入口流量；ξ_com表示加壓站最大加壓系數；

步驟2)中，所述的熱力管網中，換熱站約束有：

供水管和回水管的出入口溫度約束表示如下：

熱負荷和能源中心與換熱站熱交換約束表示如下：

熱力管網節點熱量守恒約束表示如下：

式中：和和分別為第k個能源中心/第f個熱負荷的供水管與回水管的出入口溫度；和分別為第k個能源中心和第f個熱負荷與其換熱站的熱交換功率；c^w為水的比熱容；和分別為單位時間內流過換熱站的工質質量；N_Z為流入匯集點z的管道集合；T_z,t和分別為匯集點z和管道b出口的工質溫度；為單位時間內管道b流出的工質質量；

所述的熱力管網中，熱網延時效應約束有：

其中，

式中：γ_b,t和φ_b,t分別為熱力傳輸延時時長的上、下限；和分別為未計及溫度損失時的管道出、入口溫度；ρ^w為熱力管網工質的密度；和分別為t-γ_b,t和t-φ_b,t+1時刻到t時刻注入管道的工質質量；Ν為正整數集合，n表示其中的元素；和分別為δt時間內流入和流出管道b的工質質量；和分別表示t-φ_b,t和t-γ_b,t時刻注入管道的工質溫度；A_b和分別表示管道的橫截面面積和長度；

所述的熱力管網中，熱網損耗約束有：

由于工質在傳輸過程中不可避免地與管道進行熱交換而產生熱量損耗，故管道出口溫度根據蘇霍夫溫降公式進行修正：

其中，

式中：和為環境溫度和修正后的管道出口溫度；J_b,t和λ_b分別為溫度保持系數與管道導熱系數；為t-γ_b,t時刻內流入管道b的工質質量；

所述的熱力管網中，熱網節點能量平衡約束有：

能源中心和熱負荷的熱能平衡約束：

式中:和分別為能源中心的輸出熱功率及其與換熱站的熱交換功率；和分別為第f個熱負荷的功率及其與換熱站的熱交換功率；

步驟3)中，綜合能源系統優化模型中，目標函數表示為：

其中，

式中：用下標s表示第s個場景；C^inv、和C_total分別表示計及設備殘值的投資成本、第τ年的外部能源購買成本和系統運行周期內總成本；r為貼現率；Hor為規劃年限；D為一年的天數；N_S為一年內的場景集合；Ν_eh和N_br分別為綜合能源系統拓撲結構中的節點集合與支路集合；Ν_X和N_net分別為綜合能源系統中的能源中心設備種類集合和能源網絡種類集合；和為第k個能源中心中候選X類設備的集合和能源網絡κ中節點i與j之間的候選線路或管道集合；ω_s為場景s發生的概率；Φ為一個典型日的時間分段數；和分別為從外部購電和購氣功率；和分別為電能和天然氣的單位購買成本；假定投運都發生在年初，R^x、c^x、β^x和S^x分別為x的規劃期末殘值率、單位容量投資成本、候選設備投運狀態和單臺/條/回容量；Δt為單位時間段的時長；

假設能源中心設備與能源網絡折舊程度與投運時間呈線性關系，x的殘值率統一描述為：

式中，T^x為x的預期運行年數，為x退役時的殘值率；

步驟3)中，綜合能源系統優化模型中，建設約束為：

綜合能源系統的投資成本包括多能流耦合設備、儲能設備以及電力網絡、天然氣管網和熱力管網的建設成本，投資成本存在上限，如下式所示：

式中，為綜合能源系統投資成本上限；

對于能源中心設備和能源網絡，設備安裝臺數和線路或管道的建設條/回數需要滿足下面的約束：

式中：和分別為第k個能源中心中X類設備的最大投運數目和能源網絡κ中線路ij最大建設條/回數；

步驟3)中，綜合能源系統優化模型中，運行約束為：

能源中心中的設備輸入功率和爬/滑坡速度約束條件統一表示為：

式中：ζ^x為設備x的容量裕度；和分別為設備x的輸出功率上下限；為設備x的功率爬/滑坡速度上限；表示設備x的輸出功率；

在能源網絡中，兩節點之間建設多條并行線路，由于能源網絡的非線性，需要分別計算每一條線路的運行狀態，能源網絡線路功率約束統一表示為：

式中：和分別為節點i與j之間第l條電力網線路的傳輸功率和天然氣管道的出入口功率；為向熱負荷f供熱的第l回管道的傳輸功率；ζ^e,tran、ζ^g,tran和ζ^hex為候選電力線路、天然氣管道和熱力管道的容量裕度；0-1變量和為候選電力線路、天然氣管道和熱力管道的投運狀態；和為候選電力線路、天然氣管道和熱力管道的容量；

從外部注入的電功率和氣功率需要滿足下面的約束：

式中，和分別為從綜合能源系統外部購買電功率和氣功率的上限。